Travaux Pratiques n o 1

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Stéphane Laframboise
il y a 6 ans
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1 Travaux Pratiques n o 1 Architecture des ordinateurs. IR 1 Avant la séance de travaux pratiques suivante, vous enverrez une archive contenant les fichiers sources ainsi qu un rapport au format pdf à votre chargé de td. Vous donnerez à votre mail le sujet suivant: Arnaud Carayol : arnaud.carayol@univ-mlv.fr Guillaume Blin : guillaume.blin@univ-mlv.fr [Archi IR1][TP1] Nom1--Nom2 Le rapport doit répondre aux questions posées dans le sujet et peut éventuellement contenir des portions de code pour illustrer votre propos. Votre code doit être commenté sinon il ne sera pas lu. 1 Rappels Cette série de travaux pratiques a pour but de vous familiariser avec la programmation en langage machine pour des processeurs 32 bits d architecture x86 sous linux en mode protégé. Nous utiliserons l assembleur NASM (Netwide Assembler) qui est téléchargeable gratuitement à l adresse suivante: Je vous conseille l excellent livre (traduit en français) de Paul. A. Carter intitulé PC Assembly Language qui est disponible à l adresse suivante: Les processeurs 32 bits d architecture x86 travaillent avec des registres qui sont en nombre limité et d une capacité de 32 bits. Parmis ces registres, les registres appelés eax, ebx, ecx, edx, edi, esi sont des registres à usage général. Les registres esp et eip servent respectivement à conserver l adresse du haut de la pile et l adresse de la prochaine instruction à exécuter. Le premier octet (celui de poids le plus faible) de eax est accessible par le registre al(de capacité 8 bits), le deuxième octet de poids le plus faible est accessible par le registre ah. Les 16 bits de poids faible de eax sont accessibles par le registre ax. De même pour ebx, ecx, et edx, on dispose des registres bx, bh, bl, cx, ch, cl et dx, dh, dl. Question 1 Donnez un schéma illustrant les relations entre eax, ax, ah et al. Opérations sur les registres Le processeur peut effectuer des opérations sur les valeurs stockées dans les registres. On notera que le premier argument est toujours celui qui reçoit le résultat (1). (1) C est la syntaxe Intel. Attention, il existe d autres assembleurs qui emploient la convention inverse! On parle de syntaxe ATT. 1

2 mov eax, 3 ; eax = 3 mov ebx,eax ; ebx = eax mov eax, 0x ; eax=0x add eax,3 ; eax = eax + 3 add ah,0x1c ; ah = ah + 28 add ebx,ecx ; ebx = ebx + ecx sub eax, 10 ; eax = eax - 10 add ah,al ; ah = ah + al Question 2 Après l exécution des instructions suivantes quelle est la valeur de eax, ax, ah et al. mov eax, 0xf00000f0 add ax, 0xf000 add ah,al Lecture et écriture en mémoire Le processeur peut aussi lire et écrire directement dans la mémoire. En mode protégé, on peut s imaginer la mémoire comme un tableau dont chaque case contient un octet. L adresse d une case est donnée par un nombre sur 32 bits. On donne ci-dessous un exemple fictif de d état de la mémoire. adresse valeur 0xffffffff 235 0xfffffffe x x x x Question 3 Quelle est la quantité de mémoire adressable sur 32 bits? La syntaxe générale pour écrire en mémoire à l adresse adr la valeur contenue dans le registre reg est la suivante: mov [adr],reg La syntaxe générale pour lire la mémoire à l adresse adr et stocker la valeur dans le registre reg est la suivante: mov reg,[adr] La quantité d information écrite ou lue est déterminée par la taille du registre reg. Par exemple si le registre est ah ou al, on lit ou écrit un octet. mov al, [0x ] ; al recoit l octet stocké à l adresse 3 ; dans notre example al=10 mov [0x ], ah ; l octet contenu dans ah est écrit à l adresse 1 Quand on ne veut plus écrire des octets mais des mots (deux octets) ou des double-mots (quatres octets), il faut adopter une convention sur l ordre dans lequel on lit les octets en mémoire. Considérons l instruction ci-dessous: 2

3 mov eax, [0x ] Cette instruction demande de lire 4 octets (car eax est un registre 32 bits) en mémoire à partir de l adresse 0 et de les stocker dans eax. Si l on reprend la mémoire décrite dans notre exemple, deux résultats seraient envisageables: eax = 0x0a convention little endian eax = 0x a convention big endian Les processeurs Intel et AMD utilisent la convention little endian. On peut aussi directement affecter une valeur en mémoire sans la stocker dans un registre. Il faut alors préciser la taille des données avec les mot-clés byte, word et dword. mov byte [0x ],1 mov word [0x ],1 mov dword [0x ],0x Question 4 Quel est l état de la mémoire après avoir effectué chacune de ces instructions en partant de la mémoire de l exemple ci-dessus? 2 Premier programme Le code source hello.asm de notre premier programme est téléchargeable à l adresse suivante: Pour compiler le programme, on exécute: nasm -f elf hello.asm ld -e debut hello.o -o hello chmod +x hello La première commande crée un fichier objet hello.o. La seconde commande un exécutable hello. L option -e debut indique que le programme commence à la ligne marquée par l étiquette debut. La dernière ligne change les droits d accés pour que le fichier hello soit exécutable. Question 5 Compilez et exécutez le programme hello. La première section du programme intitulée data contient les données du programme c est à dire une succession d octets. Les caractères sont représentés par leur code ASCII. La primitive db permet de déclarer une suite d octets. Dans la suite l étiquette msg désignera l adresse du premier octet de la chaîne que l on veut afficher. De la même manière, l étiquette debut designera l adresse du premier octet du code. Le programme hellobis présente une version utilisant directement les codes ASCII. Le programme helloter définit une constante len grâce à la primitive equ pour calculer la taille de la chaîne. Attention len n est pas une adresse mais une valeur. La deuxième section text contient le code. Dans notre cas, le code fait deux appels systèmes via l instruction int 80h. Le registre eax contient le numéro de l appel système : 4 pour write et 1 pour exit. Les registres ebx, ecx et edx contiennent les paramètres. Question 6 Pour les appels systèmes write et exit, donnez le nombre d arguments et expliquez leurs rôles. Question 7 Écrivez un programme qui exécute le programme/bin/ls. Pour cela, on utilisera l appel système execve qui a le numero 11. 3

4 ebx doit contenir l adresse de la chaine de caractères terminée par un caractère de code ASCII 0 correspondant à la commande à exécuter. Dans notre cas, ecx et edx peuvent être égaux à 0. En fait, ecx et edx servent à passer les arguments et les variables d environnement respectivement. 3 Environnement d exécution L environnement d exécution d un programme utilisateur est donné par le figure suivante. Le haut de la figure correspond à l adresse 0x et le bas à l adressse 0xFFFF FFFF. L adresse à laquelle commence le Code est toujours 0x L adresse du début de l Environnement est dans le registre esp(voir plus loin). L adresse à laquelle débute le bloc Système est 0xBFFF FFFF. Reservé Code Data (initialisé) BSS (non-initialisé) Tas Pile Environnement aléatoire Système Avec la commande nasm -f elf -l hello.lst hello.asm, vous obtenez dans hello.lst un listing donnant le code machine des différentes instructions. Question 8 En utilisant la commande xxd hello.o, vous obtenez l affichage binaire du fichier objet hello.o. Retrouvez votre code et vos données. Pourquoi le code binaire ne peut-il pas être copié en mémoire directement. Question 9 Quels changements observez-vous dans l exécutable hello? 4 Utilisation de GDB Nous allons maintenant voir comment utiliser le programme GDB pour suivre l exécution en machine de notre premier programme. Pour plus de détails, reportez-vous à la documentation de GDB. Commencez par lancer GDB sur le programme hello. gdb hello Commencez par désassembler le programme pour avoir les adresses des différentes instructions. set disassembly-flavor intel disassemble debut Si vous tapez run, le programme s exécute. Pour pouvoir l arrêter, il faut placer un point d arrêt sur l une des commandes. Ainsi la commande break *debut+5 place un point d arrêt sur la deuxième commande du programme. run info registers Puis next pour passer à l instruction suivante. 4

5 Question 10 Créer un fichier exécutant le code de la question 2 et utilisez GDB pour vérifier votre résultat. Une fonction très utile de GDB est qu il peut afficher l état de la mémoire. Les commandes suivantes affichent la mémoire à partir de l adresse adr (ou &label): x/3wx adr 3 double-mots (w) (double-mot = quatre octets) en hexadécimal (x) x/1bd adr un octet (b) en décidemal (d) x/1s adr une chaîne terminée par un caractère 0 Question 11 Utilisez cette fonction de GDB pour exploirer le bloc environnement dont la structure est décrite ci-dessous. Toutes les valeurs sont sur 4 octets. Argc est le nombre d arguments du programme plus 1. Arg[0] est l adresse du premier caractère d une chaîne terminée par un 0 qui correspond au nom du programme. Arg[1] est l adresse d une chaîne correspondant au premier argument. Question 12 A quoi correspond Env[0]? esp Argc esp+ 4 Arg[0] esp+ 8 Arg[1] esp+ 4n +4 Arg[n] esp+ 4n +8 0 esp+ 4n + 12 Env[0] Améliorations Question 13 Récupérez le fichier hello2.asm et déterminez la fonction du premier bloc d instruction. Les instructions ci-dessous ont le comportement suivant: tant que l octet pointé par edi n est pas égal à al ou que ecx n est pas égal à 0 alors ecx est décrémenté de 1 et edi est incrémenté de 1. cld repnz scasb Question 14 Ecrivez un programme qui affiche son nom d appel. Question 15 Ecrivez un programme qui affiche son nombre d arguments si ce nombre est inférieur à 10. 5

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